重矿物物源分析研究进展

田豹

(长江大学地球科学学院，湖北武汉430100)

重矿物物源分析研究进展

田豹

(长江大学地球科学学院，湖北武汉430100)

重矿物资料作为物源分析最常见的基础资料之一，通过广泛调研文献资料，综述了结合重矿物资料分析物源方向、母岩类型的方法和沉积过程中各个因素对重矿物的影响，指出重矿物分析物源的优越性和局限性。认为在利用重矿物分析物源时，应该综合考虑对重矿物的影响因素，尤其要考虑漫长的成岩作用，并就其未来发展提出了一些看法。

重矿物;物源分析;成岩作用;多元统计

0 前言

重矿物是指岩石中普遍含量＜1%、颗粒粒度较小(0．25～0．05 mm)、密度＞2．86 g/cm3且性质相对稳定的矿物［1］。沉积物源分析除了能间接反映母岩类型之外，还能帮助判断物源方向和控制沉积储层的质量及其分布。重矿物有耐磨蚀、化学性质稳定特性，因此风化、搬运及成岩作用对其影响较弱。故而在远离母岩区的沉积岩中，重矿物含量相对较高，且能较好地继承母岩的特性。因此，重矿物资料分析是物源分析的重要手段之一。

早在1881年人们就开始在显微镜下分析重矿物并应用重矿物进行物源研究，但开始的研究仅仅是片面性的描述。直到1902年Thomas才开始首次利用重矿物分析结果来判断物源方向及特征，之后重矿物方法便成为了研究沉积物源的常规重要手段。地质科学的研究不断进步，有了矿物分布区带(Distributive Province)的理论，这才将物源区母岩类型与重矿物组合特征建立了联系。该理论阐述了不同类型的母岩由于其矿物组成不同，经风化、搬运破坏后会产生差别各异的重矿物组合［2］。Fleet的研究使得重矿物分析迅猛发展，各个重矿物的百分含量由于引进了矿物颗粒计数方法才得以定量的计算出来，这样重矿物分析从过去的宏观定性阶段上升到微观定量化阶段［3］。特殊矿物组合或单颗粒重矿物的含量占比对物源判别有十分重要的指导意义。沉积物中受高级变质岩类母岩的影响程度可以由红柱石、蓝晶石、硅线石的百分含量之和来间接反映;重矿物的成熟度可由ZTR指数来反映;深埋砂岩物源区的情况可由RZi指数、MZi指数来辅助判断［4］。

然而，虽然重矿物因其物理化学性质相对稳定，较大程度地保留其母岩的特性而在沉积物源分析中都扮演着很重要的角色。但是，在沉积这个漫长的历史演化中，还有其他很多因素常常会影响重矿物组合和丰度，如物理的风化、机械破碎和分选，化学的后生成岩作用等。影响最大的是后期风化和漫长的后生成岩作用，这些因素对准确判别物源区产生了极大地干扰作用，且在利用重矿物分析物源时，很少有人考虑到成岩作用对重矿物强烈的影响作用。

近年来，新疆油田在环玛湖凹陷百口泉组扇三角洲取得重大突破，但由于经历了漫长的成岩作用，无法较好的利用重矿物资料对该区进行物源分析，扇三角洲体系认识不清。全面了解利用重矿物进行物源分析方法及沉积过程中各种因素对重矿物的影响，对正确认识扇三角洲沉积体系，具有重要的参考意义。

1 重矿物分析物源方法

1．1理论基础

重矿物是对源变化有极其敏感的指示意义。母岩经风化、剥蚀、搬运后形成的产物往往会有不同重矿物组合特征，这是其不同类型的母岩和不同的矿物组分(见表1)。借此可运用重矿物特性来恢复母岩和判别物质来源。

表1 碎屑岩矿物组合与母岩类型的对应关系

重矿物根据其稳定性可以从超稳定—稳定—中等稳定—不稳定—极不稳定划分为5个等级。稳定重矿物抗风化能力强，不稳定重矿物抗风化能力弱。随着沉积物离物源区距离的增加，重矿物中不稳定成分含量相对会逐渐减少，稳定矿物成分含量相对会逐渐增加，这种稳定与不稳定组合变化特征可指示沉积物源方向。ZTR指数，即锆石、电气石和金红石组成的透明矿物的百分含量，是目前最常用的判断物源方向的方法。该方法是由Hubert最先提出，由于这3种矿物在重矿物中最为稳定，又几乎在所有结晶岩中都是常见的，因此ZTR指数作为一种重矿物稳定系数，就成为常用而有效的方法．ZTR指数越大，说明矿物的成分成熟度越高，搬运距离越远。

1．2传统分析方法

重矿物资料分析沉积物源体系及物源方向的传统方法，一般是通过重矿物含量的分布规律或ZTR指数来求取单井一段时间内的数据平均值。但不论是地质历史时期中还是现代沉积环境中形成的沉积物，通常都是由多期次或多物源沉积物供给混合而成。同一期次的沉积物因其物源方向或母岩类型相近往往会有相似的重矿物组合特征;而对于不同期次所形成的沉积物，由于其物源方向或母岩类型的差异，得到的重矿物组合特征也不同。因此，传统的方法不仅无法解释来自同一母岩区各个重矿物间的内在联系，还遗漏了沉积物物源差异性可能来自于垂向上层序内部不同沉积期次的影响因素，混源区的重要地质信息被掩盖起来。

1．3多元统计方法

近年来，多元统计方法在各领域得到了广泛的应用，部分学者以重矿物含量分析数据为依据，在恢复不同物源体系的发育范围及其母岩类型问题中，利用聚类分析、因子分析等多元统计分析的方法，很好地解决了沉积期次的判断、混源体系的区分等问题。也称为群分析，即通过样本或变量之间的相似程度从而对他们进行逐步分类的方法［5］。聚类分析可分为Q型和R型两种。Q型聚类分析，通过对不同样本中的同一变量进行比较，可以研究样本间的相互关系，结果可对样本分类。R型聚类分析是研究变量之间的相关关系，通过比较同一样本中的不同变量，得到不同变量间的相似关系，结果可对变量分类。因子分析也是多元统计方法中的一种，它把多个有内在联系的因子“降维”、抽象成少数几个综合因子。

虽然通过R类型可以得到重矿物组合，进而得到母岩类型，但R类型得到重矿物组合类型过多，母岩类型分析不清，尤其是主要物源，次要物源很难区别开来。而因子分析通过降维而得到重矿物组合，组合类型简约，这种方法不仅能很好的判断母岩类型，尤其是可以通过方差贡献情况，区别主次物源，是判断母岩类型及主次物源最为理想的办法。

2 重矿物分析的影响因素

重矿物虽稳定性强，但其无时无刻不在发生蚀变作用。母岩风化、搬运、沉积、后生成岩及抬升剥露整个阶段，都可以伴随着重矿物的蚀变作用，但效果最明显的是淤泥沉降和后生成岩作用。

2．1同生作用和成岩作用影响

在植被生长茂盛的地区，有机物的细菌性降解会生成大量的酸性地下水。沉积物表面如蓝晶石、角闪石和石榴石等重砂矿物在酸性水的溶蚀作用下会迅速消失，但是随着深度的增大，重矿物会由于地下水的溶蚀作用减弱而再次出现。例如，Morton发现滨海砂中磷灰石的含量丰富，在边缘海环境中含量明显降低，而在河流和三角洲顶部，由于酸性地下水的影响，磷灰石完全缺失。Hester研究发现，美国东南部未风化的白垩纪砂岩之中存在大量石榴石和绿帘石，而在风化的相同地层中则明显缺失。可以看出，稳定重矿物的含量在富含有机物的层位可被溶蚀作用极快改变，原先的重矿物组合特征也可能会被改变，这时就会对判别物源区带来极大的困难。多项研究结果表明，很多重矿物会随着深度的变化相继消失，在统一物源区的完整剖面上，却显示出了不同的重矿物序列。成岩作用对重矿物不仅仅是破坏性作用，也会出现建设性作用。笔者通过对准噶尔盆地下三叠统百口泉组重矿物分析同样也发现了这种自生绿帘石的存在，且这种自生绿帘石的存在对物源的判断产生了极大的影响。可以得出这个结论，单一通过石榴石、磷灰石、蓝晶石等指示性重矿物的出现情况，并不能准确判别沉积物真正的物源区，因为该地层很可能遭受过后期风化或沉降改造，那么重矿物的指示性受到影响。故而，只有避免后期风化或沉降改造等对统计结果的影响后才能利用重矿物组合准确识别物源区。

2．2其他影响因素

重矿物分析除了考虑成岩作用的影响，还会受到多种因素的影响。

从沉积环境和水动力来说，在重力流发育的区域，重力流对重矿物的分异不明显，很难通过ZTR指数或稳定系数来判断物源方向。

从重矿物本身的特点来说，重矿物的稳定性并非一成不变的，在不同的环境下的稳定性差别较大，尤其受成岩作用的影响较为显著。有实验对比得到锆石、金红石在不同pH条件下(3．6～10．6)稳定性最强，而电气石的物理稳定性相比更强［6］。镜下观察发现，较稳定的石榴石在成岩作用下会发生溶蚀现象，产生溶蚀凹坑，而较不稳定的绿帘石在某些环境中极为稳定，出现绿帘石加大边甚至自生绿帘石。密度和形状:某些重矿物，如钛铁矿等，虽稳定性强，但因其比重大，在近源区强水动力条件下较为富集，在远源区弱水动力条件下反而变少;而黑云母等片状矿物，由于其比重小，受水动力改造明显，在水动力强的环境中遭受冲刷和磨损而不易沉积下来，在水动力弱的条件下可大量富集。表明重矿物的富集还与其自身比重、水动力强度相关。

从分析方法来说，岩性与重矿物含量:统计重矿物时，要分岩性来统计，砂岩或砂砾岩可能具有不同的重矿物特征，如果一起统计，求取平均值，势必忽视了不同岩性重矿物的差异性，其结果可能有误。自生重矿物:选取重矿物时，要充分判断其自生与否，因为自生重矿物无法指示物源，可能导致物源判断失效。如绿帘石，通常认为是变质或蚀变成因，且易受大气淡水琳滤的影响，但在较老的地层，也有自生绿帘石的存在［7］;而黄铁矿，传统认为是自生重矿物，但岩浆岩和变质岩同样也可发育。所以，自生重矿物的判断，不应仅仅依靠传统经验，要充分结合成岩作用等因素。聚类分析改进:多元统计方法能较好的识别重矿物间的亲属关性，识别主次物源，但也存在诸多问题。如数据是否标准化，聚类方法的选取。当然，这种多元统计的方法不仅用在物源分析上，在粒度分析、岩屑分析等中也较为普遍［8-9］。笔者认为，可将重矿物、岩屑综合聚类分析，可以精确识别重矿物和母岩关性，同样，也可将重矿物和粒度数据综合聚类分析，可以较好的判断沉积环境、水动力特征。重矿物分析时，含量高的重矿物对物源的指示意义最为强烈，但某些含量低的重矿物可能具有某种重要的地质意义，不能因为其含量低而被忽略。而且，同种母岩可能存在不同的重矿物组合，而一种重矿物或同种重矿物组合可能对应不同的母岩，通过重矿物分析，尤其是没有典型重矿物存在的情况下，很难较精确的判断母岩属性。因此，在利用重矿物分析物源时，要综合考虑各因素对重矿物分布及含量的影响因素。

3 结语

重矿物作为物源变化极为敏感的指示剂，在物源分析中得到了广泛的应用。但目前该方法在物源分析研究中仍然有很多问题尚待解决，尤其是成岩作用对重矿物影响的精细研究上，而目前，成岩作用对重矿物的研究是孤立的，缺少体系。

尽管重矿物在物源分析研究中还有很多问题尚待解决，但其目前作为一种较为有效的物源分析研究手段已被广大学者所认可。相信随着研究方法的深化和科学实验技术的提高，重矿物体系研究的遗留问题将会解决。

［1］徐亚军，杜远生，杨江海．沉积物物源分析研究进展［J］．地质科技情报，2007(3):26－32．

［2］Milner H B．The nature and origin of the pliocene deposits of the county of cornwall，and their bearing on the pliocene geography of the south-west of england［J］．Guarterly Journal of The Geological Souiety，1922(78):348－377．［3］Fleet W F．Petrological notes on the old red sandstone of the west midlands［J］．Quaryerly Jourbal of the Geological Society，1922 (78):348－377．

［4］Morton A C，Hallsworth C．Identifying provenance-specific features of detrital heavy mineral assemblages in sandstones［J］．Sedimentary Geology，1994，90(3/4):241－256．

［5］王学仁．地质数据的多变量统计分析［M］:科学出版社，1982．

［6］Freise F W．Untersuchung von mineralen auf abnutzbarkeit bei verfrachtung im wasser［J］．Zeitschrift Fur Kristallographie Mineralogie Und Petrographie，1931，41(1):1－7．

［7］李云，胡作维，贺静，等．鄂尔多斯盆地上三叠统延长组重矿物的成岩作用［J］．古地理学报，2015(1):119－128．

［8］操应长，周磊，张玉明，等．松辽盆地十屋断陷十屋地区营城组物源体系探讨［J］．沉积学报，2011(6):1096－1104．

［9］宋红瑛，刘金庆，印萍，等．日照近海表层沉积物粒度特征与沉积环境［J］．中国海洋大学学报(自然科学版)，2016(3):96－104．

A Research Progress in Provenance Analysis of Heavy Minerals

TIAN Bao
(College of Earth Science，Yangtze University，Wuhan，Hubei 430100，China)

Heavy mineral data is one of the most common basic data of provenance analysis．Through extensive research literature，we summarize the analysis methods and effects of various sedimentary provenance，including rock types in the process factors on the heavy mineral combination of heavy mineral data．This paper points out the advantages and limitations of the provenance analysis of heavy minerals．It suggests that the influence factors of heavy minerals should be taken into account in the analysis of the source of heavy minerals，especially in the long diagenesis．

Heavy minerals;Provenance analysis;Diagenesis;Multivariate statistics

P618．13

A

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．032

2016－12－20

国家自然科学基金(41302094)

田豹(1992－)，男，湖北荆州人，在读硕士研究生，研究方向:沉积储层方向，手机:15337231796，E-mail: 821717792@qq．com．